Phần 2 hệ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HTTTQ 1.1 Sự phát triển thông tin quang: Khởi đầu thông tin quang khả nhận biết người chuyển động hình dáng màu sắc thông qua đôi mắt Tiếp hệ thống thông tin, điều chế đơn giản xuất cách sử dụng đèn hải đăng đèn tín hiệu Kế tiếp đời máy điện báo quang Thiết bị sử dụng khí môi trường truyền dẫn chịu ảnh hưởng điều kiện thời tiết để giải vấn đề người ta chế tạo máy điện báo vô tuyến dùng để liên lạc hai người cách xa Năm 1960 nhà nghiên cứu chế tạo thành công laze đến năm 1966 chế tạo sợi quang có dộ tổn thất thấp ( 1000dB/Km) Bốn năm sau Karpon chế tạo cáp sợi quang suốt có độ suy hao truyền dẫn khoảng 20dB/Km Từ thành công rực rỡ nhà nghiên cứu khắp giới bắt đầu tiến hành nghiên cứu, phát triển kết công nghệ giảm suy hao truyền dẫn, tăng dải thông laze bán dẫn phát triển thành công vào năm 70 Sau dó giảm độ tổn hao xuống 0,18 db/Km laze bán dẫn có khả thực giao động liên tục nhiệt độ khai thác chế tạo, tuổi thọ kéo dài 100 năm Dựa công nghệ sợi quang laze bán dẫn gửi khối lượng lớn tín hiệu âm liệu đến địa cách xa hàng trăm Km sợi quang có độ dày sợi tóc, không cần tái tạo Hiện hoạt động nghiên cứu tiến hành lĩnh vực gọi photon học lĩnh vực tối quan trọng thông tin quang, có khả phát sử lý trao đổi truyền dẫn thông tin phương tiện ánh sáng Nghành điện tử viễn thông 13 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương Photon học có khả ứng dụng rộng rãi lĩnh vực điện tử viễn thông kỷ 21 1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang: Bộ phát quang Tín hiệu điện vào Mạch điều khiển Nguồn phát quang Bộ nối Mối hàn quang sợi Sợi dẫn quang Trạm lặp Bộ chia quang Thu quang Mạch điện Các thiết bị khác Phát quang Bộ thu quang Tín hiệu điện Khuếch đại quang Đầu thu quang Chuyển đổi t/h Khuếch đại Hình vẽ 1.1 biểu thị cấu hình hệ thống thông tin quang Chức phận hệ thống thông tin quang: Nghành điện tử viễn thông 14 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương Bộ biến đổi điện – quang ( E/O): Dùng để biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để truyền môi trường cáp quang ( biến đổi xung điện thành xung quang) Yêu cầu thiết bị E/O biến đổi trung thực ( ánh sáng bị điều biến theo qui luật tín hiệu điện) Cáp quang: Là môi trường dùng để truyền dẫn tín hiệu ánh sáng, chế tạo chất điện môi có khả truyền ánh sáng sợi thạch anh, sợi thuỷ tinh, sợi nhựa Yêu cầu: Tổn hao lượng nhỏ, độ rộng băng tần lớn, không bị ảnh hưởng nguồn sáng lạ ( không bị nhiễu) Bộ biến đổi quang - điện ( O/E): Thu tín hiệu quang bị suy hao méo dạng đường truyền bị tán xạ, tán sắc, suy hao cự ly để biến đổi thành tín hiệu điện trở thành nguồn tin ban đầu Yêu cầu: Độ nhậy máy thu cao, thời gian đáp ứng nhanh, nhiễu nhỏ tiêu thụ lượng điện Các trạm lặp: Được sử dụng khoảng cách truyền dẫn lớn Trạm lặp biến đổi tín hiệu quang thu thành tín hiệu điện để khuyếch đại Tín hiệu khuyếch đại biến đổi thành tín hiệu quang để tiếp tục truyền tuyến cáp sợi quang 1.3 Ưu, nhược điểm ứng dụng thông tin quang: 1.3.1 Ưu điểm : • Sợi cáp nhỏ sợi cáp kim loại(đường kính mẫu sợi quang 0,1 mm, nhỏ nhiều so với sợi cáp đồng trục 10mm), nhẹ hơn, dễ uốn cong Chi phí vật liệu cáp ít, cáp lại lắp đặt thuận tiện, tay Cáp quang cho phép tăng nhiều kênh truyền dẫn mà tăng đường kính cáp Nghành điện tử viễn thông 15 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương • Sợi quang chế từ thuỷ tinh thạch anh môi trường trung tính với ảnh hưởng nước, axít, kiềm nên không sợ bị ăn mòn, lớp vỏ bảo vệ bên có bị hư hỏng sợi thuỷ tinh tốt bảo đảm truyền tin tốt • Sợi thuỷ tinh sợi điện môi nên hoàn toàn cách điện, không sợ bị chập mạch, nên đầu vào đầu hệ thống hoàn toàn cách điện mạch vòng chảy qua đất • Cũng nhẹ không bị ảnh hưởng điện từ nên sợi quang sử dụng nhiều máy bay, tàu thuỷ, công nghiệp để truyền số liệu • Tiêu hao nhỏ không phụ thuộc tần số tín hiệu tiêu hao nhỏ dải tần rộng nên cho phép truyền dẫn băng rộng, truyền tốc độ lớn cáp kim loại chi phí xây dựng mạng.Trong tương lai làm cáp thuê bao cho dịch vụ dải rộng phù hợp.Vì có tiêu hao nhỏ nên cho phép đạt cự ly khoảng lặp lớn cáp kim loại nhiều • Một cáp sợi quang có kích cỡ với cáp kim loại chứa số lượng lớn lõi sợi quang lớn số lượng kim loại • Dùng cáp sợi quang kinh tế việc sản xuất lắp đặt bảo dưỡng Không bị ảnh hưởng nhiễu điện từ, không dẫn điện, không gây chập, cháy Không chịu ảnh hưởng nhiễu từ trường bên (như sóng vô tuyến điện, truyền hình, ảnh hưởng cáp điện cao ) dẫn đến tính bảo mật thông tin cao, không bị nghe trộm • Sợi quang chế tạo từ nguyên liệu thạch anh hay nhựa tổng hợp nên nguồn nguyên liệu dồi rẻ tiền Sợi có đường kính nhỏ, trọng lượng nhỏ, xuyên âm dễ lắp đặt uốn cong • Độ cách điện cao đến hàng nghàn volt trạm phát trạm nhận tín hiệu • Trong kênh thông tin trọng lượng kích thước phận nhỏ nhẹ • Tín hiệu hệ thống truyền tin sợi quang thích hợp với linh kiện, IC lozic TTC CMOS Nghành điện tử viễn thông 16 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương • Truyền tín hiệu qua cáp quang không bị nhiễu hiệu ứng thời gian trễ thông tin vệ tinh • Độ rộng băng tần đến 3000GHz Đến với cách truyền tin AM hay TimeMultiplex độ rộng băng tần bị hạn chế khoảng 10GHz 1.3.2 Nhược điểm • Hàn, nối sợi khó khăn cáp kim loại • Muốn cấp nguồn từ xa cho trạm lặp cần có thêm dây đồng đặt bên sợi quang • Khi có nước, ẩm lọt vào cáp cáp nhanh chống bị hỏng mối hàn mau lão hoá làm tăng tổn hao • Do sợi có kích thước nhỏ nên hiệu suất nguồn quang thấp • Vì đặc tính xạ không tuyến tính laze diode nên hạn chế truyền analog • Không thể truyền mã lưỡng cực • Hệ thống thông tin quang yêu cầu công nghệ chế tạo linh kiện tinh vi đòi hỏi độ xác tuyệt đối đặc việc hàn nối sợi quang phức tạp 1.3.3 Ứng dụng Nhờ ưu điểm mà sợi quang ứng dụng mạng lưới điện thoại, số liệu, máy tính phát thanh, truyền hình ( dịch vụ băng rộng) sử dụng ISDN ( mạng kết hợp kỹ thuật chuyển mạch kênh với kỹ thuật chuyển mạch gói), điện lực ứng dụng y tế quận thiết bị đo Do có tiến mà hệ thống thông tin quang áp dụng rộng rãi mạng lưới Chúng xây dựng làm tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài việc truy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt đáp ứng môi trường lắp đặt từ nhà, cấu hình thiết bị Nghành điện tử viễn thông 17 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương xuyên lục địa, vượt đại dương vv Các hệ thống thông tin quang phù hợp cho hệ thống truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dạng ghép kênh nào, tiêu chuẩn Bắc Mỹ, Châu Âu hay Nhật Bản Bảng a Tốc độ truyền dẫn tiêu chuẩn Bắc Mỹ, châu Âu Nhật Bản Phân cấp Khối Bắc Mỹ Tốc độ bít Số kênh Khối châu Âu Tốc độ bít Số kênh Nhật Tốc độ bít Số kênh Mbit/s 1,544 thoại 24 Mbit/s 2,048 thoại 30 Mbit/s 1,544 thoại 24 6,312 96 8,448 120 6,312 96 44,736 672 34,368 480 32,064 480 274,176 4032 139,264 1920 97,728 1440 - - 565,148 7680 396,200 5760 Ngoài tốc độ trên, có tiêu chuẩn phát triển năm gần gọi SDH (Synchronous Digital Hierarchy- Phân cấp số đồng bộ) với nhiều ưu điểm so với phân cấp số PDH mặt dung lượng truyền dẫn khả quản lý khai thác mạng Các tốc độ phân cấp SDH mô tả qua module truyền tải đồng (STM-Synchronous Transport Module) Hiện hệ thống thông tin quang ứng dụng rộng rãi giới, chúng đáp ứng tín hiệu tương tự số, chúng cho phép truyền dẫn tất tín hiệu dịch vụ băng hẹp băng rộng Số lượng cáp quang lắp đặt giới với số lượng lớn, đủ tốc độ truyền dẫn với cự ly khác nhau, cấu trúc mạng đa dạng Nhiều nước lấy cáp quang môi trường truyền dẫn mạng lưới viễn thông họ Các hệ thông thông tin quang mũi đột phá tốc độ, cự ly truyền dẫn cấu hình linh hoạt cho dịch vụ viễn thông cấp cao Nghành điện tử viễn thông 18 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương Bảng b: Các mức phân cấp SDH Mức STM-1 Tốc độ truyền [Mbit/s] 155,52 STM-4 STM- STM-64 622,08 16 2,488 9,953 CHƯƠNG II: CÁP SỢI QUANG VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 2.1 Bản chất ánh sáng: Trong hệ thống thông tin quang, thông tin truyền dạng ánh sáng, cách chung nhất, coi ánh sáng chùm phần tử hạt nhỏ bé phát từ nguồn sáng Các phần tử hình dung theo đường thẳng thâm nhập vào môi trường suốt lại bị phản xạ gặp môi trường đục Quan điểm mô tả đầy đủ hiệu ứng quang học phạm vi riêng ví dụ tượng phản xạ khúc xạ ánh sáng, lại không dùng thuyết để giải thích tượng nhiễu xạ giao thoa, nhiên tượng nhiễu xạ giao thoa hãn hữu Năm 1986, Maxwell chứng minh lý thuyết chất sóng ánh sáng sóng điện từ Hơn quan sát hiệu ứng phân cực, người ta nhận thấy chuyển động sóng ánh sáng vuông góc với hướng mà sóng đi, điều sóng ánh sáng sóng ngang Theo quan điểm sóng quang hay vật lý quang sóng điện từ phát từ nguồn nhỏ đặc trưng loại mặt sóng hình cầu mà nguồn đặt trung tâm mặt cầu Mặt sóng xác định quĩ tích tất điểm loại sóng pha Nghành điện tử viễn thông 19 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương 2.1.1 Các định luật ánh sáng: Các định luật ánh sáng có liên qua đến truyền ánh sáng sợi quang tượng khúc xạ phản xạ ánh sáng vận tốc ánh sáng là: c = v.λ (v: Tần số ánh sáng ; λ: Bước sóng) Trong không gian tự c = 3.10 m/s, môi trường suốt khác vân tốc ánh sáng v < c Khi số chiết suất n vật liệu là: n = c/v Hiện tượng phản xạ khúc xạ ánh sáng xem xét trường hợp có hai môi trường khác số chiết suất Như ta biết, tia sóng truyền từ môi trường có chiết suất lớn vào môi trường có chiết suất nhỏ thay đổi hướng truyền chúng danh giới phân cách hai môi trường Các tia sáng qua vùng ranh giới bị thay đổi hướng tiếp tục vào môi trường có chiết suất gọi tia khúc xạ, tia qua ranh giới quay trở lại môi trường ban đầu gọi tia phản xạ Hình minh hoạ trình phản xạ khúc xạ ánh sáng ứng với môi trường thứ có chiết suất n1 lớn chiết suất n2 môi trường thứ hai Pháp tuyến Pháp tuyến φ2 n2 n1 Tia khúc xạ θ2 n2 Tán sắc mode: Nghành điện tử viễn thông 21 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương • Tán sắc mode tồn tất sợi quang đa mode , đơn mode • Tán sắc mdoe gọi tán sắc mode • Tán sắc mode mode truyền sợi với tỷ lệ khác đến cuối đầu thu thời điểm khác nhau, nghĩa truyền tốc độ đến đầu thu không đồng thời • Trong sợi đa mode có khác tốc độ nhóm dạng sóng Tuy dạng sóng xuất phát từ đầu sợi thời điểm đến cuối sợi không đồng thời Giữa dạng sóng (các tia sóng ) nhanh chậm gây độ lệch thời gian đặc trưng cho tán sắc mode b> Tán sắc sắc thể sợi đa mode: Tán sắc sắc thể có sợi đa mode sợi đơn mode: • Tán sắc sắc thể gây phụ thuộc tốc độ nhóm vào bước sóng tín hiệu làm cho thời gian tới thành phần có bước sóng khác không • Tán sắc sắc thể bao gồm tán sắc vật liệu tán sắc ống dẫn sóng: + Tán sắc vật liệu: Là bước sóng khác từ nguồn quang truyền với tốc độ khác thay đổi số khúc xạ theo bước sóng + Tán sắc ống dẫn sóng: Là phụ thuộc không tuyến tính số chuyền lan vào tần số bước sóng ống dẫn quang 2.2 Cấu tạo cáp sợi quang: 2.2.1 Lõi cáp sợi quang: Bao gồm sợi quang đặt ống đệm chặt ống đệm lỏng liên kết với cách xoắn quanh phần tử trung tâm gọi phần tử gia cường Bước xoắn phải đủ dài sợi quang không bị cong mức qui định đủ ngắn để đủ độ giãn dài bị kéo căng cáp Nghành điện tử viễn thông 22 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương CHƯƠNG III : LINH KIỆN BIẾN ĐỔI QUANG ĐIỆN 3.1 Tổng quát Linh kiện biến đổi quang điện đặt hai đầu sợi quang Có hai linh kiện quang điện: - Linh kiện biến đổi từ tín hiệu điện sang tín hiệu quang, gọi nguồn quang Linh kiện có nhiệm vụ phát ánh sáng có công suất tỷ lệ với dòng điện chạy qua - Linh kiện biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện, gọi linh kiện tách sóng quang (hay linh kiện thu quang) Linh kiện có nhiệm vụ ngược lại so với nguồn quang , tức tạo dòng điện tỷ lệ với công suất quang chiếu vào Chất lượng linh kiện biến đổi quang điện chất lượng sợi quang định cự ly, dung lượng chất lượng tuyến truyền dẫn quang 3.2 Nguồn quang: 3.2.1 Nguyên lý chung: Nghành điện tử viễn thông 49 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương Các linh kiện biến đổi quang điện - điện quang dùng thông tin quang linh kiện bán dẫn Theo lý thuyết vật chất, bán dẫn có hai mức lượng: • Mức hoá trị • Mức dẫn điện Do lượng điện tử chia thành 3vùng: • Vùng dẫn điện(Condution band ) • Vùng cấm.(Energy gap) • Vùng hoá trị.(Valence band) Trong đó: E E: lượng điện tử Ec Ev Ec: Mức lượng dẫn Ev: Mức lượng hoá trị Eg X: Khoảng cách vật chất X • Photon xạ vào chât bán dẫn, cung cấp lượng (E = hν) cho điện tử vùng hoá trị điện tử chuyển lên vùng dẫn, photon biến điện tử để lại lỗ trống vùng hoá trị Như photon có lượng thích hợp chiếu vào chất bán dẫn tạo cặp điện tử - lỗ trống photon biến Đó gọi tượng hấp thụ, ứng dụng photon diode làm linh kiện thu quang Nghành điện tử viễn thông 50 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương • Nếu vùng dẫn có số điện tử nhiều mức cân điện tử thừa rơi xuống vùng hoá trị cách tự phát để kết hợp với lỗ trống Trong dịch chuyển từ mức lượng cao xuống mức lượng thấp, lượng chênh lệch xạ dạng photon Như điện tử kết hợp với lỗ trống làm xạ photon, tượng phát xạ tự phát ứng dụng diode phát quang (LED) dùng làm nguồn quang • Hiện tượng thứ ba gọi phát xạ kích thích ứng dụng Laser Diode dùng làm nguồn quang Hiện tượng xảy photon phát xạ trình tái hợp điện tử lỗ trống lại kích thích điện tử dang có mức lượng cao xuống mức lượng thấp phát photon trình tiếp diễn số lượng photon phát lớn Ánh sáng phát trình có pha bước sóng Băng dẫn Khe lượng hν hν hν Băng hoá trị Hấp thụ thích Phát xạ tự phát hν: Photon phát xạ kích : Điện tử : Lỗ trống Có hai loại linh kiện dùng làm nguồn quang là: - Diode phát quang hay LED (Light Emitting Diode) - Diode Laser hay LD ( Laser Diode) 3.2.2 LED: Nghành điện tử viễn thông 51 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương Cấu tạo phân loại: Mặc dù nguyên lý phát quang mối nối P N đơn giản song cấu trúc đèn LED phức tạp diode bán dẫn bình thường phải đáp ứng đồng thời yêu cầu kỹ thuật nguồn quang • LED tiếp xúc mặt GaAs: Đây loại có cấu trúc đơn giản nhất, dùng bán dẫn GaAs với nồng độ khác để làm lớp loại N lớp phát quang loại P Lớp P dày khoảng 200µm, mặt lớp P có phủ lớp chống phản xạ để ghép ánh sáng vào sợi quang Bước sóng phát LED GaAs khoảng từ 880 đến 950nm Lớp chống phản xạ Tiếp xúc P Lớp cách điện Lớp P-GaAs (khuếch tán) Lớp N-GaAs (nền) Tiếp xúc N • LED Burrus: LED Burrus chế tạo theo cấu trúc nhiều lớp (Heterostructure) bao gồm lớp bán dẫn loại N P với bề dày nồng độ khác Với cấu trúc nhiều lớp vạch tiếp xúc P có kích thước nhỏ, Vùng phát sáng LED Burrus tương đối hẹp Ngoài bề mặt LED có khoét lỗ để đưa sợi quang vào gần vùng phát sáng Bước sóng LED Burrus dùng bán dẫn AlGaAs / gaAs khoảng từ 800 đến 850nm Nếu dùng bán dẫn InGaAsP / InP bước sóng phát dài Nghành điện tử viễn thông 52 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương Tiếp xúc N N - GaAs ( lớp Lớp )vùng phát sáng Lớp N - AlGaAs Lớp P - AlGaAS ( lớp tích cực ) Lớp P+ - AlGaAs Lớp cách điện Al2O3 Tiếp xúc P ( đường kính nhỏ ) 3.2.3 LED phát xạ rìa: Một loại LED phát bước sóng dài (1300nm 1550nm) dùng bán dẫn InGaAsP / InP Tương tự LED Burrus, loại có cấu trúc nhiều lớp có đường kính vạch tiếp xúc P nhỏ (25 đến 30µm) nên có vùng phát sáng hẹp Điểm khác biệt so với LED Burrus thay khoét lỗ để ghép ánh sáng vào sợi quang, dùng lớp InP có dạng thấu kính để ghép ánh sáng vào sợi quang Lớp chống phản xạ Lớp P+ - InGaAsP Tiếp xúc N Lớp N - InP ( lớp Vùng) phát sáng Lớp cách điện Al2O3 Lớp toả nhiệt Lớp P - InGaAsP Tiếp xúc P ( φ 25 ÷ 30µm ) Lớp P+ - InP • LED phát xạ rìa: (ELED: Edge Light Emitting Diode) LED phát xạ rìa có cấu tạo khác với LED thông thường, điện cực tiếp xúc (bằng kim loại) phủ kín mặt đáy ELED Do ánh sáng phát phía hai mặt mà bị giữ vùng tích cực có dạng vạch hẹp Lớp tích cực mỏng, vật liệu có chiết suất lớn kẹp hai lớp P N có ciết suất nhỏ Nghành điện tử viễn thông 53 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương Cấu trúc tương tự cấu trúc sợi quang Hay nói cách khác, tương đương với ống dẫn sóng Ánh sáng phát hai đầu ống dẫn sóng này, hai nối với sợi quang Cấu trúc có ưu điểm vùng phát sáng hẹp góc phát sáng nhỏ nên hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang cao Tuy nhiên có hạn chế hoạt động nhiệt độ ELED tăng cao nên đòi hỏi phải giải nhiệt Tiếp xúc P Vùng phát sáng ( lớp tích cực ) Lớp P - AlGaAs Lớp P - AlGaAs Lớp N - AlGaAs Cách điện SIO2 Lớp P - AlGaAs Tiếp xúc N Cuối phải ghi nhận cấu trúc LED phức tạp công suất phát cao, góc phát sáng hẹp, thời gian chuyển nhanh Tất nhiên, linh kiện khác, cấu trúc phức tạp gia thành cao 3.2.4 LASER: Cấu tạo nguyên tắc hoạt động: Laser bán dẫn hoạt động theo nguyên lý phát xạ kích thích Cấu tạo gần gũi với cấu tạo LED phát xạ rìa (ELED) Điểm khác biệt Laser có hai mặtphản xạ hai đầu lớp tích cực tạo nên hốc cộng hưởng quang Phần ánh sáng phát theo chiều dọc hốc cộng hưởng bị 10 phản xạ qua lại hai mặt phản xạ Trong trình di chuyển theo chiều dọc hốc ánh sáng kích thích điện tử kết hợp với lỗ trống để phóng photon Phần ánh sáng thoát theo phương khác bị thất thoát dần có phần ánh sáng phát theo chiều dọc khuếch đại Nghành điện tử viễn thông 54 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương Mặt sau Laser phủ lớp phản xạ mặt trước cắt nhẵn để phần ánh sáng phản xạ phần chiếu Mặt phản xạ + Bán dẫn loại P Lớp tích cực Bán dẫn loại N ánh sáng Nhằm tăng hiệu phát xạ, Laser thực té có cấu trúc phức tạp chẳng hạn loại Laser có cấu trúc nhiều lớp chôn gọi Laser BH (Buried Heterostructure) có vùng phát sáng hẹp (2µm × 0,2µm) nên hiệu suất ghép ánh sáng vào lõi sợi quang cao Tiếp xúc P Lớp P + ( InGaAsP ) Cách điện ( SiO2 ) Lớp P ( InP ) Lớp N ( InP ) Lớp P ( InP ) Lớp tích cực ( InGaAsP ) Lớp N ( InP ) Lớp N ( InP ) Tiếp xúc N 3.3 Tách sóng quang: 3.3.1 Nguyên lý chung: Nghành điện tử viễn thông 55 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương Các linh kiện tách sóng quang loại linh kiện bán dẫn Cấu tạo chúng phát triển từ tiếp giáp PN Có hai loại linh kiện tách sóng quang sử dụng là: PIN: loại diode thu quang gồm ba lớp bán dẫn P,I N Trong P N hai lớp bán dẫn có pha tạp chất I (intrinsic) không pha tạp chất pha với nồng độ thấp APD (Avalanche Photo Diode): Diode thu quang có độ nhạy tốc độ cao Ngoài có transistor quang (Phototransistor) có khả biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện có thời gian đáp ứng chậm nên sử dụng Nếu có xuất hệ thống có cự ly ngắn tốc độ chậm Bán dẫn P Vùng Bán dẫn N E Ec hν hν hν Ev D[hm] Vùng khuyếch tán điện tử Vùng trôi Vùng khuyếch tán lỗ Các linh kiện tách sóng quang hoạt động theo nguyên tắc tiếp giáp PN phân cực ngược 3.3.4 Diode thu quang PIN: Cấu tạo diode thu quang PIN gồm ba lớp bán dẫn P-I-N, lớp I (intrinsic) lớp bán dẫn không pha tạp chất pha với nồng độ thấp Quá trình hấp thụ photon để tách điện tử lỗ trống xảy lớp I Do lớp I dày hiệu suất lượng tử cao đồng thời thời gian trôi điện tử ánhkhả sángnăng hoạt động với tốc độ cao PIN Bề chậm Điều làm giảm Lớp chống phản xạ Nghành điện tử viễn thông 56 P I N Vòng tiếp xúc ( kim loại ) Cách điện ( SiO2 ) Tiếp xúc ( kim loại ) Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương dày lớp P phụ thuộc khả thâm nhập ánh sáng vào bán dẫn ánh sáng có bước sóng dài khả thâm nhập vào bán dẫn lớn 3.3.5 Diode thu quang APD: Ứng dụng hiệu ứng nhân điện tử bán dẫn, người ta chế tạo APD, P+ N - hai lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất cao P - lớp có nồng độ tạp chất thấp (thay vị trí lớp I PIN) Dưới tác dụng nguồn phân cực ngược, phân bố cường độ điện trường lớp bán dẫn không nhau, điện trường vùng tiếp giáp PN - cao , trình nhân điện tử xảy vùng Vùng gọi vùng “ thác lũ” Khi có ánh sáng chiếu vào, photon bị hấp thụ lớp P - tạo cặp điện tử - lỗ trống Lỗ trống di chuyển phía lớp P + nối với cực âm nguồn; điện tử di chuyển phía tiếp giáp PN- , điện trường cao vùng tăng tốc cho điện tử Điện tử va chạm vào nguyên tử tinh thể bán dẫn tạo cặp điện tử - lỗ trống (gọi ion hoá va chạm) Các điện tử thứ cấp tạo lại có khả gây ion hoá va chạm Quá trình tiếp diễn số lượng hạt tải điện tăng lên lớn Tiếp xúc N N- ( InGaAs ) N ( InGaAs ) N ( InP ) P ( InP ) P ( InP ) Nghành điện tử viễn thông Tiếp xúc P 57 Đồ án thực tập ánh sáng Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương Như APD dòng quang điện nhân lên M lần với M số điện tử thứ cấp phát sinh ứng với điện tử sơ cấp Dòng quang điện APD tạo là: Iph = R.M.Popt R : đáp ứng (A/W) M : hệ số nhân Popt : công suất quang(W) Hệ số nhân M thay đổi theo điện áp phân cực ngược phụ thuộc nhiệt độ nên việc giữ cho hệ số nhân M ổn định khó khăn Ngoài ra, vùng thác lũ rộng hệ số M lớn Nhưng lúc thời gian trôi điện tử chậm nên tốc độ hoạt động APD giảm Giá trị hệ số nhân M từ 10 ÷ 1000 lần thực tế chọn điểm phân cực cho APD cho M = 50 ÷ 200 lần M lớn dòng nhiễu APD cao 3.3.6 PIN-FET Ưu nhược điểm hai loại tách sóng quang PIN APD trái ngược không giống hai loại nguồn quang LED LASER Đặc tính kỹ thuật LASER tốt LED nhiều mặt APD PIN độ nhậy tốc độ làm việc Các mặt hạn chế APD là: Chế độ làm việc ổn định nên cần mạch điện phức tạp Nghành điện tử viễn thông 58 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương Dòng nhiễu lớn Điện áp phân cực cao yêu cầu độ ổn định cao Giá thành cao Do đặc tính kỹ thuật mà APD PIN tồn song song Có thể giữ ưu điểm PIN khắc phục nhược điểm cách dùng kết hợp PIN với Transistor trường (FET) mạch tiền khuếch đại Hai linh kiện kết hợp gọi PIN - FET, chúng sử dụng phổ biến hệ thống thông tin quang nay, độ nhạy PIN - FET so sánh với APD Nghành điện tử viễn thông 59 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương KẾT LUẬN Mạng viễn thông ngày phát triển với công nghệ đại Hệ thống truyền dẫn quang phương tiện truyền dần chủ yếu tuyến thông tin nội tỉnh, liên tỉnh xuyên quốc gia Các tuyến truyền dẫn cáp quang triển khai mạnh mẽ nước ta năm gần có ưu điểm bật đáp ứng nhu cầu sử dụng tương lai Cùng với cáp sợi quang, kỹ thuật SDH triển khai rộng rãi SDH truyền dẫn tất tín hiệu hệ thống có nhằm đảm bảo tính truyền dẫn thông suốt mạng lưới khác Với tiến vượt bậc công nghệ điện tử viễn thông, công nghệ quang công nghệ quang phát triển không ngừng, giá thành giảm xuống tạo điều kiện cho việc sử dụng ngày rộng rãi nhiều lĩnh vực thông tin Tuy nhiên hệ thống thông tin cáp sợi quang hệ thống phức tạp Việc thiết kế lắp đặt tuyến truyền dẫn sợi dẫn quang đòi hỏi có độ xác cao Chính sử dụng cáp quang hệ thống thông tin đòi hỏi phải có độ ngũ cán có trình độ, hiệu biết sâu kỹ thuật mội lĩnh vực nghành điện tử viễn thông Một lần em xin chân thành cảm ơn cô giáo NGUYỄN THỊ HƯƠNG tận tình giúp đỡ em trình làm báo cáo Hà nội, tháng năm 2009 Nghành điện tử viễn thông 60 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương Sinh viên Nguyễn Đức Mậu MỤC LỤC PHẦN I : Hệ thống truyền dẫn hữu tuyến 1.Cáp đồng 2.Sóng vô tuyến 3.Cáp quang PHẦN II: Hệ thống thông tin quang CHƯƠNG I: Khái niệm chung thông tin quang 1.1 Sự phát triển thông tin quang 1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang 1.3 Ưu, nhược điểm ứng dụng hệ thống thông tin quang 1.3.1Ưu diểm 1.3.2 Nhược điểm 1.3.3 Ứng dụng CHƯƠNG II: Cáp quang vấn đề liên quan 2.1 Bản chất ánh sáng 2.1.1 Các định luật ánh sáng 2.1.2 Đặc tính tán xạ sợi quang 2.2 Cấu tạo sợi quang 2.2.1 Lõi sợi quang 2.2.2 Vỏ cáp quang 2.2.3 Phần tử gia cường 2.2.4 Các thành phần khác lõi cáp 2.3 Phân loại sợi quang Nghành điện tử viễn thông 61 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương 2.3.1 Phân loại theo vật liệu điện môi 2.3.2 Phân lọai theo mode truyền lan 2.3.3 Phân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ 2.4 Các nguyên tắc lan truyền ánh sáng sợi quang 2.4.1 Ánh sáng truyền qua sợi quang đa mode chiết xuất bậc 2.4.2 Ánh sáng truyền qua sợi quang đa mode chiết suất liên tục 2.4.3 Ánh sáng truyền qua sợi quang đơn mode chiết suất bậc 2.5 Các đặc tính suy hao sợi quang 2.5.1 Suy hao bên 2.5.2 Suy hao công nghệ chế tạo sợi quang 2.5.3 Suy hao bên 2.5.4 Suy hao hàn sợi 2.5.5 Suy hao méo mode 2.6 Các hình thức lắp đặt cáp 2.6.1 Cáp treo 2.6.2 Cáp cống 2.6.3 Cáp chôn trực tiếp 2.6.4 Cáp nhà cáp vượt 2.6.5 Cáp thả nước 2.6.6 Cáp thả biển 2.7 Hàn sượi quang 2.7.1 Nhận xét 2.7.2 Hàn học 2.7.3 Hàn nung nóng 2.8 Bộ nối cáp quang 2.8.1 Yêu cầu 2.8.2 Cấu trúc cách điều chỉnh nối quang 2.8.3 Các nối quang CHƯƠNG III : Linh kiện biến đổi Quang Điện 3.1 Tổng quát 3.2 Nguồn quang 3.3 Tách sóng quang Nghành điện tử viễn thông 62 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang Nghành điện tử viễn thông GVHD:Nguyễn Thị Hương 63 Đồ án thực tập [...]... tính của phần tử gia cường: Vật liệu TrọngL Modul ượng đàn hồi riêng kg/mm2 Ứng suất điểm uốn kg/mm2 Độ co dãn điểm uốn % Ứng suất tại điểm gẫy Độ giãn tại điểm gãy % kg/mm2 Dây thép 7,86 20 .103 40-150 0 ,2- 1,0 50-300 20 -25 Sợi Cacbon 1,5 1 020 .103 150 -20 0 1,0-1,5 150 -25 0 1,5 Nghành điện tử viễn thông 24 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương Dây thuỷ tinh Plastic 2, 48 9.103... Nghành điện tử viễn thông 23 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương + Phi kim loại: Thường là dây thuỷ tinh Plastic tăng cường(G-FRP) hoặc là các sợi amid Thường đặt ở tâm cáp có độ mềm dẻo cao(hoặc đặt phân tán trong vỏ cáp) a> Các cách đặt phần tử gia cường trong lõi cáp quang: 1 1 3 2 3 2 2 1 3 2 Hình 2. 3: Cách đặt phần tử gia cường 1 .Phần tử gia cường 2 Lõi cáp 3 ống... suất khúc xạ • Sợi quang đa vật liệu có thành phần chủ yếu soda lime, thuỷ tinh hoặc thuỷ tinh boro- silicat Nghành điện tử viễn thông 26 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương • Sợi quang nhựa thường được sản xuất bằng PMMA (Polymethyl metharcylate) 2. 3 .2 Phân loại theo mode lan truyền : Theo mode lan truyền sợi quang được chia làm hai nhóm: • Sợi quang đơn mode (được... thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương 2. 3 Phân loại sợi quang Như trong bảng 2. 3, sợi quang được phân loai theo nhiều cách như phân loại theo vật liệu điện môi sử dụng, mode truyền dẫn, phân bố chiết suất khúc xạ của lõi v.v Phân loại theo vật liệu điện môi Sợi quang thạch anh Sợi quang thuỷ tinh đa vật liệu Sợi quang bằng nhựa Phân loại theo mode truyền lan Sợi quang đơn... bên trong bộ tiếp hợp theo rãnh hình V Hình 2. 19 FIGER ALIGNMENT BARE FIBER Nghành điện tử viễn thông 45 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương Hình 2. 19 Cách 2: Dùng các thấu kính để tạo ra tia chuẩn trực và dựa vào tia chuẩn trực để hiệu chỉnh vị ttrí của sợi cho phù hợp Hình 2. 20 LENS COLLIMATED BEAM Hình 2. 20 Cách 3: Là thông dụng nhất, vị trí của sợi được hiệu chỉnh... điện tử viễn thông 44 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương • Loại sợi đơn mode không quá 5µm 2. 8 .2 Cấu trúc và cách điều chỉnh bộ nối quang: Bộ nối quang có cấu trúc chung như sau: Hình 2. 18 PERRULE PLUG FIBER END FACE BLOCKING NUT ADAPTER PLUG FIBER CORD Hình 2. 18: Các bộ phận chủ yếu của bộ nối quang Các cách hiệu chỉnh của bộ nối quang: Cách 1: Hiệu chỉnh trực tiếp... 2. 21 REFERENCE SURFACE Nghành điện tử viễn thông FIBER 46 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương Hình 2. 21 Cách đơn giản nhất là khoan lỗ chính xác và đặt sợi vào tâm của mặt tham chiếu hình trụ hoặc hình côn và được cố định nhờ keo dán Nếu bề mặt tham chiếu bị lệch một chút thì phải gọt bớt FERULER FERULER TOOL CLADDING CORE CLADDING CORE AXIS OF ROTATION Hình 2. 22: ... hơn và ngược lại Các tia Nghành điện tử viễn thông 28 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương sáng đến cuối sợi cáp không đồng thời Xung ánh sáng ở cuối sợi cáp là xung quang tổng hợp thành phần đến xung cuối sợi cáp bị dãn rộng và sụt đỉnh, xuất hiện giao thoa giữa các xung quang ( méo tín hiệu) Vì những lý do trên mà sợi quang SI-MM chỉ sử dụng cho các đường truyền... lượng thông tin truyền qua sợi quang đạt tới 100Gb/s Độ rộng băng tần được coi là vô hạn Nhưng điều này còn bị giới hạn bởi nguồn sáng chỉ còn 10GHz/Km Ánh sáng truyền trong sợi thì đạt được diều kiện chỉ còn mode cơ bản được truyền trong lõi sợi Có hai cấu trúc cơ bản của sợi quang đơn mode Nghành điện tử viễn thông 30 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương 2. 5 Đặc... thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương Dây thuỷ tinh Plastic 2, 48 9.103 300 3 300 2, 4 Sợi tơ (kevlar) 49 1,44 13.103 300 2 300 2 6.103 70 1 ,2 300 4 Sợi tơ (Kevlar) 29 1,44 Bảng 2. 2: Các đặc tính của phần tử gia cường 2. 2.4 Các thành phần khác trong lõi cáp a> Các dây dẫn có cách điện: Các dây này là một thành phần của lõi cáp dùng để truyền các kênh nghiệp vụ hoặc để phát hiện thấm nước vào cáp ... 3.Cáp quang PHẦN II: Hệ thống thông tin quang CHƯƠNG I: Khái niệm chung thông tin quang 1.1 Sự phát triển thông tin quang 1 .2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang 1.3 Ưu, nhược điểm ứng dụng hệ thống. .. quang 2. 2.1 Lõi sợi quang 2. 2 .2 Vỏ cáp quang 2. 2.3 Phần tử gia cường 2. 2.4 Các thành phần khác lõi cáp 2. 3 Phân loại sợi quang Nghành điện tử viễn thông 61 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông. .. hình hệ thống thông tin quang Chức phận hệ thống thông tin quang: Nghành điện tử viễn thông 14 Đồ án thực tập Phần II : Hệ thống thông tin quang GVHD:Nguyễn Thị Hương Bộ biến đổi điện – quang